橡胶振动注射试验研究
2018-07-23焦冬梅边慧光王瑞松田晓龙杨卫民
焦冬梅，边慧光，王瑞松，田晓龙，杨卫民
（1.青岛科技大学 机电工程学院，山东 青岛 266061；2.北京化工大学 机电工程学院，北京 100029）
粘流态橡胶在外力作用下流动可以实现压延、挤出、注射成型等工艺。橡胶流动性差会使制品表面出现流痕、缺胶以及综合物理性能下降等质量问题，同时带来生产能耗高、设备要求高等问题[1-2]。提高橡胶流动性和胶料充填能力、降低生产能耗一直是橡胶行业亟需解决的问题。
国内外学者已经对振动技术应用于塑料成型加工进行了系统研究[3]。受振动技术应用于塑料成型的研究[4-5]启发，本研究提出了橡胶振动注射成型技术。橡胶和塑料虽同属于高分子材料，但是橡胶作为一种高弹性材料，弹性效应更加明显，具有粘度高、流动性差、易焦烧[6-8]等特点，与塑料成型有本质的区别，因此振动技术应用于橡胶成型加工有必要进行深入研究。本工作在自行开发的动态试验平台上，利用试验方法研究橡胶振动注射工艺对胶料流动性的影响。
1 实验
1.1 试验平台和辅助设备
橡胶动态试验平台结构如图1所示，以UD-3600型动态疲劳测试机为基础自行改造而成，可实现振动、静态（传统工艺）橡胶注射成型试验，频率范围为0～100 Hz，振幅范围为0～5.0 mm，可以提供多种不同波形的振动。模具与振动台连接，并与振动台以同频率、同振幅、同波形振动。混炼胶在丝杆柱塞作用下充填模腔，在胶料主运动方向上叠加振动场，检测系统对胶料填充过程压力变化进行监测并输出，从而可以直观判断出橡胶流动状态的改变。
图1 动态试验平台结构示意
其他辅助设备为：X（S）K-160型开炼机，上海橡胶机械厂产品；UM-2050型门尼粘度仪，优肯科技股份有限公司产品；VMA1000型胶料流动性分析仪，特拓（青岛）轮胎技术有限公司产品；GT-7016-AB型气压式自动切片机，高铁科技股份有限公司产品。
1.2 模具
自行设计的测试用注射模具的上下模板结构如图2所示，其中上模板中心部位开有注胶孔，下模板模腔采用阿基米德螺旋线形式，螺旋槽深为2 mm，半圆形截面半径为2.5 mm，中间凹槽型腔直径为26 mm，深度为5 mm，型腔沿流动方向标有刻度，可以观察胶料的流动长度。
图2 模具结构
1.3 主要原材料
丁苯橡胶（SBR），门尼粘度[ML（1+4）100℃]为44～45，海南天然橡胶产业集团股份有限公司产品；顺丁橡胶（BR），中国石化燕山石化公司产品；炭黑N375，武汉探新炭黑科技开发有限公司产品；氧化锌，青岛新源化工助剂有限公司产品。
1.4 配方
SBR 70，BR 30，炭黑N375 60，氧化锌4，硬脂酸 2，防老剂4010NA 1，硫黄 1.8，促进剂CZ 0.9。
2 结果与讨论
2.1 注射压力曲线
图3示出了注射速度为100 mm·min-1时定量混炼胶在静态和振动下（频率为30 Hz，振幅为0.9 mm）注射过程中注射压力实测曲线。
图3 注射过程中注射压力曲线
由图3可以看出，静态注射的注射压力最高为45.5 kN，振动注射的注射压力最高为32.0 kN，注射压力下降明显，说明振动可以有效改变胶料的流动性。
2.2 注射压力与振幅的关系
图4示出了注射速度为100 mm·min-1时定量混炼胶以不同振幅（频率为30 Hz）注射过程中注射压力与振幅的关系曲线。
图4 注射压力与振幅的关系曲线
从图4可以看出：与静态注射（振幅为0）相比，振动注射压力明显下降；随着振幅的增大，注射压力不断下降，降幅先小后大再平缓，不同振幅下注射压力降幅不同，振幅为0.5 mm时，注射压力降幅达21%，振幅为0～0.3 mm范围内，注射压力降幅在10%以内，振幅超过0.5 mm时，注射压力降幅相对平稳。
为了进一步验证试验结果的可参考性，进行了固定频率为10和50 Hz的振动注射试验，得到类似的试验结果。分析认为，振动场作用于橡胶流场，改变了橡胶与流道的壁面关系，加快了弹性松弛，流变性发生改变，胶料流动性变好，流动阻力减小，使注射压力下降，从而降低了设备能耗。
2.3 注射压力与频率的关系
图5示出了注射速度为100 mm·min-1时定量混炼胶在不同频率（振幅为0.5 mm）下注射过程中注射压力与频率的关系曲线。
图5 注射压力与频率的关系曲线
从图5可以看出，随着频率的增大，注射压力下降，在频率达到一定值后，注射压力降幅变小。
表1示出了不同振幅下注射压力下降率。由表1可以看出，在不同振幅下注射，随着频率的增大，注射压力降幅有类似的变化规律。振幅为0.3 mm、频率为50和70 Hz时注射压力下降率分别为10.8%和14.1%；振幅为0.5 mm、频率为50和70 Hz时，注射压力下降率分别为23.1%和24.8%，这为生产中振动工艺参数的确定提供了试验依据。
表1 不同振幅下注射压力下降率 %
2.4 振幅与充填长度的关系
图6示出了混炼胶在最大注射压力为40 MPa、固定频率为10 Hz、不同振幅下对螺旋线模具进行注射时充填长度与振幅的关系曲线。图7示出了不同振幅下达到最高注射压力时模具充填长度照片。
图6 充填长度与振幅的关系曲线
图7 不同振幅下螺旋线模具充填照片
从图6和7可以看出，随着振幅的增大，螺旋线模具注射充填长度增大，在注射停止时，充填长度增至15.2 cm，相对于静态注射的6.5 cm，充填长度增大效果明显。此外，注射时间相对延长对充填长度没有明显的影响，表明振动注射增加了混炼胶的体积流率，提高了注射效率。
3 结论
采用自行开发的动态试验平台进行混炼胶模具充填试验，得出以下结论。
（1）橡胶振动注射工艺是可行的。
（2）振动注射可以提高橡胶的流动性，减小流动阻力，增大填充长度。
（3）橡胶振动注射改变了橡胶的粘度，降低了注射压力，可节省能耗。
